Начинать надо было с элементарной электротехники, с изучения процессов в трансформаторах тока и напряжения. Затем – с характеристик и свойств объекта управления – синхронной машины. Познать эти предметы надо было до мельчайших тонкостей. Особенно важно было разработать способ сложения сигналов по напряжению и току генератора. Сложение путём параллельного включения выпрямителей, питающихся от трансформаторов напряжения и тока, принципиально не годилось. В такой схеме всегда работает только один канал. Если один из каналов имеет большее напряжение, второй – автоматически запирается. Любопытно, что эта простая истина до сих пор не всеми воспринята, и схема с параллельным включением выпрямителей приводится даже сегодня в учебной литературе, например, в учебнике для нашей кафедры, выпущенном под редакцией профессора ЛЭТИ Лукомского.
Вторая проблема – как сделать так, чтобы при постоянной амплитуде напряжения генератора и, следовательно, постоянном (по амплитуде) напряжении первичной обмотки трансформатора компаундирования выходное напряжение менялось в три раза по мере увеличения нагрузки генератора.
Третья проблема заключалась в том, что система регулирования, с одной стороны должна быть неустойчива для обеспечения процесса самовозбуждения, с другой, естественно, устойчива в процессах нормального функционирования.
Четвёртая проблема – как и какими конкретными средствами обеспечить отрицательную обратную связь в системе.
Пятая проблема – как обеспечить без усилителя высокую точность стабилизации напряжения (плюс – минус 1 процент) при изменении нагрузки от нуля до 125 % номинальной и коэффициента мощности от единицы до 0,6.
Шестая проблема – как компенсировать тепловой увод при нагреве элементов системы и изменение частоты вращения дизеля, вращающего вал генератора.
Седьмая проблема – как обеспечить лёгкость настройки системы в условиях заводаизготовителя большой серии регуляторов.
И, наконец, последнее – как резко снизить массу и габариты регулятора.
Все эти проблемы шаг за шагом и комплексно были решены. Пожалуй, самой важной и плодотворной была идея создания такого регулятора, который без отрицательной обратной связи обеспечивал такую характеристику вход-выход, которая максимально точно соответствовала регулировочной характеристике генератора. В таком случае на долю отрицательной обратной связи оставалось бы только обеспечение устойчивости системы. Только при такой схеме возможно было получить высокую точность регулирования при низком коэффициенте усиления цепи отрицательной обратной связи. В свою очередь, только при низком коэффициенте усиления можно было иметь переходный процесс без перерегулирования, с минимальным временем достижения установившегося состояния после возмущения. До сих пор удивляюсь, что без единого транзистора (которых тогда не существовало), без усилителей, являющихся обязательной принадлежностью любого регулятора, была достигнута точность лучше одного процента. Кстати, в технических условиях на регулятор была записана точность 1,3 %. Эта величина была результатом моего личного торга с директором ЦКБ Кабчевским (сегодня это предприятие “Меридиан”). Удивляюсь и тому, что торговаться по такому важному вопросу ЦНИИ им. Крылова послало зелёного юнца, да ещё без сопровождения какого-то опытного управленца. Может быть, я действительно добился своей работой такого удивительного, по сегодняшним понятиям, доверия?
Интересно, что сейчас, через почти пол – века я понял, что в регуляторе реализовал адаптивный принцип автоматического регулирования. Сущность принципа в том, что регулятор по своему принципу действия должен создавать такую зависимость выходной величины от возмущающих воздействий, которую требует объект управления для полной компенсации возмущений.
В данном случае объектом является синхронный генератор с нагрузкой. Основными возмущающими воздействиями для него являются ток статора и коэффициент мощности нагрузки. Если создать регулятор, который в зависимости от этих возмущений создаёт семейство регулировочных характеристик генератора, то на долю обратных связей системы регулирования останется только обеспечение устойчивости.
Отсюда и высокая точность регулирования при совсем малом коэффициенте усиления цепи обратной связи.
Любопытен психологический момент – в то время я совершенно не задумывался над подобного рода вопросами.
В общем, разработка регулятора была успешно завершена. Летом 1958 года на головном корабле в Феодосии вся система принята Государственной комиссией, признана соответствующей ТУ и рекомендована к серийному производству на заводе “КРИЗО” в Гатчине.
Корабли на крыльях очень понравились пограничникам. Построено было несколько сотен катеров, лучших в мире на то время. Достаточно того, что ни один серийный корабль не имел скорости хода 72 узла. До сих пор помню, как свистел ветер на ходу корабля на мерной миле у черноморского посёлка “Приморский” под Феодосией.
Конечно, не обошлось без трудностей и срывов. Я выбрал для регулятора лучшие, новейшие материалы и элементы. Применил лучшую новейшую электротехническую текстурованную сталь Э-330. Использовал только-только появившуюся обмоточную шину с кремний органической изоляцией. Применил тогда ещё экзотические полупроводниковые диоды ВГ-10 и ДГЦ. Но вот конденсаторы (типа БГО), использованные в качестве компаундирующих сопротивлений, к работе на высокой частоте оказались непригодными. В один прекрасный момент конденсаторы один за другим начали взрываться прямо у заводского пирса. Из люка машинного отделения, из всех щелей корабля пошёл бело-коричневый едкий дым. По возвращении в Ленинград директор 3-го института (Аристов Евгений Михайлович) сильно меня отчитывал. Ещё раз удивляюсь – как можно было не контролировать мои действия хотя бы по выбору материалов. Ведь когда разрабатываются чертежи для изготовления в цехе, конструкторы составляют спецификацию и проверяют все применённые изделия на соответствие ТУ. Но было так, как было.
На претензии Евгения Михайловича я очень обиделся. По литературе, по отзывам специалистов, по собственному опыту работы с доктором технических наук Цукерником я уже тогда мог судить, что шёл совершенно неизведанным путём, работал абсолютно не считаясь со временем, нашёл целый ряд новых технических решений, в том числе принципиальных. А меня ругают за ошибку в выборе конденсаторов. При этом ругают только меня, а не вместе с теми начальниками и опытными специалистами, которые по своей должности подписывали выходные документы и спецификации регулятора. Ах так – объявляю английскую забастовку – сделаю новый расчёт строго по существующим правилам, так, как делают все. Разработал новый образец, конструкторы создали новую конструкцию, изготовили образец. Он получился раза в три больше по размерам и весу, чем разработанный мной ранее и испытанный на корабле. Меня снова отругали. Я снова пересчитал регулятор, выбросил конденсаторы, заменив их дросселями с воздушным зазором. Конструкторы разработали новые чертежи с корпусом из силумина в литье. Проведена настройка, регулятор отправлен в Феодосию на судостроительный завод, установлен на корабле.
Начались ходовые испытания, в том числе работа с воздушными целями. Здесь проявились другие проблемы, не выявленные в лабораторных условиях. При высокой температуре машинного отделения первые, малонадёжные полупроводниковые диоды ДГЦ выходили из строя, иногда в самый неудачный момент. Представьте, корабль стоит у причальной стенки, полностью готовый к выходу, корпус натужно дрожит, команда – на местах, появилось сообщение о вылете из Симферополя самолётов для совместной работы с корабельным автоматическим зенитным оружием и гранитовской радиолокационной системой управления. И вдруг крик – напряжение исчезло. Меня чуть ли не за шиворот в машинное отделение. Бросаю на горячий, грохочущий дизель ватник, ложусь на него животом, лихорадочно, ломая ногти, отвинчиваю гайки, крепящие регулятор к переборке, снимаю, бегу на берег. Лихорадочно проверяю диоды, отпаиваю сгоревшие, меняю из ЗИПа (запасные части и инструменты) на новые, закрываю крышку, бегу в машинное, снова ложусь на работающий дизель, включаю разъёмы, креплю корпус. Выбегаю, корабль сразу же отходит от стенки, выходит из заводского ковша в море. Буквально через несколько минут в небе самолёты, слышна дробь выстрелов автоматических корабельных пушек. Сижу на пирсе ни жив, ни мертв, ожидая страшных известий с моря об очередном выходе из строя ДГЦ или ВГ. Слава богу – пронесло. Через пару часов корабль возвращается, с регуляторами всё в порядке.
Потом уже выяснилась неизвестная ранее подробность – при частых включениях и выключениях возбуждения генераторов на обмотке возникают перенапряжения, выводящие из строя выпрямители. Чтобы избежать этого, контакты контакторов гашения поля включили не последовательно, а параллельно обмоткам роторов. И тут возникла проблемка – шунтируем обмотку, а напряжение не падает. Парадокс! В конце концов, догадался прикинуть сопротивление проводов от контактора на ГРЩ до генератора. Оказалось – при очень малом сопротивлении обмоток возбуждения авиационных генераторов провод от КГП надо было иметь сечением не полтора квадрата, а как минимум, 10. Поставили 16 квадрат.
Чисто технологическая проблема – чем нагружать генераторы?
О специальных нагрузочных устройствах тогда никто не думал. Решили – давайте использовать прожекторные лампы накаливания мощностью по киловатту каждая. Взяли большую фанеру, нарезали отверстий под цоколи, смонтировали по 30 ламп на два щита. (В электростанции было два дизель-генератора по 30 кВт). Включили. Во-первых, осветили ярким светом всю округу (дело было под вечер). Во-вторых, бедный дизель при включении нагрузки как-будто застонал от напряжения. Стали думать – в чём дело. Кто-то вспомнил – нихромовые спирали ламп накаливания нагреваются до нескольких тысяч градусов. Следовательно, сопротивление их меняется от холодного до нагретого состояния в десятки раз. Значит – в первый момент включения дизель-генератор нагружается не на 30 кВт, а в несколько раз больше. Всё – отбой. Щиты с прожекторами убрали, стали думать. Я вспомнил, как мы испытывали на судостроительных заводах корабельные электростанции. По правилам электрооборудования полагалось проводить осциллографирование электромеханических процессов в электростанциях головных кораблей. Но как рассчитать параметры нагрузочных устройств, никто, конечно, не знал.